행성 대탐사 계획

3. 그랜드 투어

1964년, 제트 추진 연구소(JPL)의 대학원생이었던 게리 플랜드로는 1970년대 후반에 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등 외행성들이 특수한 배열을 이루어, 단 하나의 탐사선으로도 중력 도움을 이용해 이 네 행성을 모두 방문할 수 있다는 사실을 발견했다. 이러한 행성 정렬은 175년에 한 번 발생하는 드문 현상이었다.^{[14][15][1][7][8]} 1966년부터 JPL은 각 행성에 개별 탐사선을 보내는 것보다 시간과 비용을 절약하며 외행성 전체를 탐사할 수 있다는 점을 내세워 이 계획을 적극적으로 추진하기 시작했다.

1969년, NASA는 '외행성 실무반'(Outer Planets Working Group^eng)을 구성했다. 이 실무반은 탐사선 두 개를 이용해 각각 세 개의 행성을 탐사하는 계획을 선호했는데, 이는 속칭 '그랜드 투어'(Grand Tour)라고 불렸다. 첫 번째 탐사선은 1977년에 발사되어 목성, 토성, 그리고 당시 행성으로 분류되었던 명왕성을 탐사하고, 두 번째 탐사선은 1979년에 발사되어 목성, 천왕성, 해왕성을 방문할 예정이었다. 탐사선 두 개를 활용하면 단일 탐사선으로 모든 행성을 방문하는 것에 비해 총 탐사 기간을 13년 이상에서 7년 반으로 단축할 수 있었다. 실무반은 이 야심 찬 계획을 위해 '열전기 외행성 우주선'(Thermoelectric Outer Planets Spacecraft|TOPS^eng)이라는 새로운 탐사선 개발도 요구했다. JPL에서 설계한 TOPS는 10년 이상의 긴 작동 수명을 목표로 했다.^[16][2][9]

이 계획은 1969년 8월 3일, 아이오와 대학교의 제임스 A. 밴 앨런과 캘리포니아 대학교 샌타바버라의 고든 J. F. 맥도널드가 공동 의장을 맡은 23명의 과학자 위원회 보고서를 통해 공식적으로 발표되었다.^[3][10] 1970년 3월 7일에는 당시 리처드 닉슨 대통령이 성명을 통해 이 계획에 대한 지지를 표명하기도 했다.^[4][11]

그러나 1971년에 이르러 그랜드 투어 계획의 예상 비용이 7.5억달러에서 9억달러에 달하고, 여기에 탐사선 발사 비용으로 1억달러 이상이 추가될 것으로 추산되면서 상황이 달라졌다. 막대한 예산은 의회의 상당한 압박을 초래했으며, 동시에 막 승인되어 추진되던 우주왕복선 계획과의 내부 경쟁에도 밀리게 되었다. 결국 1971년 12월, 행성 대탐사 계획, 즉 그랜드 투어는 비용 문제와 정치적 압박 속에서 취소되었다. 대신 매리너 계획의 일부로서 두 개의 행성만을 탐사하는 축소된 형태로 외행성 탐사가 진행되게 되었다.^[14][2][7]

4. 매리너 목성-토성 계획

1969년, NASA는 외행성 탐사를 위한 워킹 그룹을 구성했다. 이 그룹은 당시 행성으로 분류되던 명왕성을 포함한 외행성 탐사를 위해 두 개의 임무를 구상했는데, 이는 '그랜드 투어(Grand Tour)'라 불렸다. 첫 번째 임무는 1977년에 발사되어 목성, 토성, 명왕성을 탐사하고, 두 번째 임무는 1979년에 발사되어 목성, 천왕성, 해왕성을 탐사하는 계획이었다. 이를 통해 전체 임무 기간을 단축하고자 했다. 또한, 10년 이상의 작동 수명을 가진 새로운 열전 외행성 우주선(Thermoelectric Outer Planet Spacecraft, TOPS) 개발도 요구되었다.^[2] 제임스 A. 밴 앨런과 고든 J. F. 맥도날드가 공동 의장을 맡은 연구 패널은 1969년 8월 3일 관련 보고서를 발표했고,^[3] 1970년 3월 7일에는 닉슨 대통령이 이 구상에 대한 지지를 표명했다.^[4]

그러나 1971년까지 그랜드 투어의 예상 비용은 7.5억달러에서 9억달러에 달했고, 발사 비용 1억달러 이상이 추가로 필요했다. 의회의 예산 압박과 당시 승인된 우주왕복선 계획과의 내부 경쟁으로 인해 결국 1971년 12월 그랜드 투어 계획은 취소되었다. 대신 마리너 계획에서 파생된 탐사선 2기를 이용해 목성과 토성만을 탐사하는 '매리너 목성-토성 계획'(Mariner Jupiter-Saturn project|매리너 목성-토성 계획^eng)이 제안되었다.^[2]

매리너 목성-토성 계획은 1972년 초에 승인되었으며, 탐사선 2기 제작 비용은 총 3.6억달러 미만으로 추산되었다.^[5][12] 탐사선은 JPL에서 제작되었으며, 원래 그랜드 투어를 완수할 수 있을 만큼 긴 수명을 갖도록 설계되었지만, 비용 절감을 위해 목성과 토성만을 탐사하는 임무로 축소되었다.^[14][1][7]

탐사 목표는 목성과 토성, 그리고 토성의 위성 타이탄이었다. 타이탄은 당시 태양계에서 유일하게 상당한 대기를 가진 것으로 알려진 위성이었기에 중요한 탐사 대상으로 여겨졌다. 타이탄 근접 비행(플라이바이)을 통해 대기의 밀도, 구성 성분, 온도 등 귀중한 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대되었다.

탐사선은 2기가 발사될 예정이었으며, 각각 다른 궤도로 계획되었다.

• JST (Jupiter-Saturn-Titan): 목성, 토성, 타이탄을 탐사하며 타이탄 근접 비행에 최적화된 궤도.
• JSX (Jupiter-Saturn-backup): JST 임무의 예비 탐사선 역할. JST가 성공적으로 임무를 수행하면, JSX는 천왕성과 해왕성으로 향하는 그랜드 투어 궤도를 계속 진행할 수 있었다. 만약 JST가 실패하면, JSX는 타이탄 근접 비행을 수행하도록 궤도를 변경하고 그랜드 투어 가능성은 포기하는 계획이었다.^[6][13][17]

5. 보이저 계획

보이저 계획으로 발사된 두 탐사선은 이전 행성 대탐사 계획의 기본 개념을 유지했다. 보이저 1호는 타이탄 근접 비행에 최적화된 경로로, 보이저 2호는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 탐사하는 '그랜드 투어' 경로로 설계되었다.^[6][13] 보이저 2호는 1호보다 먼저 발사되었는데, 이는 만약 2호 발사가 실패할 경우 1호가 대신 그랜드 투어 임무를 수행할 수 있도록 하기 위함이었다.^[17][6]

당초 보이저 1호가 타이탄 대신 명왕성으로 향하는 방안도 검토되었으나, 파이어니어 11호의 관측을 통해 타이탄에 두꺼운 대기가 존재한다는 사실이 알려지면서 명왕성보다 타이탄 탐사가 더 중요하다고 판단되었다.^[6][13]

보이저 1호는 타이탄의 짙은 대기 때문에 표면을 직접 관찰하지는 못했지만, 타이탄 표면에 액체 탄화 수소 호수가 존재할 가능성을 시사하는 등 귀중한 자료를 보내왔다.^[6][13] 보이저 1호의 타이탄 탐사가 성공적으로 완료되자, 보이저 2호는 예정대로 천왕성과 해왕성으로 향하는 연장 임무를 수행하게 되었다. 이를 통해 1964년에 처음 제안되었던 행성 대탐사 계획의 목표를 달성할 수 있었다.^[6][13]

6. 행성 대탐사 계획에서의 목표 천체

행성 대탐사 계획은 1964년 제트 추진 연구소의 게리 플란드로가 1970년대 후반에 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 정렬되어 탐사선 하나로도 중력 도움을 이용해 네 천체 모두를 방문할 수 있음을 알아내면서 시작되었다. 이러한 정렬 현상은 175년마다 일어난다.^[14][15] 따라서 계획의 주요 목표 천체는 다음과 같은 외행성들이었다.

참고로, 행성 대탐사 계획이 제안되었을 당시에는 명왕성도 행성으로 분류되었다. 이후 국제천문연맹의 행성 정의 변경에 따라 왜행성으로 재분류되었지만, 계획 수립 및 보이저 계획의 탐사선 발사 당시까지는 행성으로 간주되었다.

참조

_[1] 간행물 Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar System Using Energy Derived from the Gravitational Field of Jupiter http://www.gravityas[...] 1966
_[2] 서적 Voyager: The Grand Tour of Big Science https://history.nasa[...] NASA 2014-08-25
_[3] 뉴스 23 Scientists Ask Unmanned Probe of Outer Planets http://timesmachine.[...] 1969-08-04
_[4] 뉴스 Nixon asks start of a 'grand tour' of planets in '77 http://timesmachine.[...] 1970-03-08
_[5] 뉴스 'Grand Tour' Space Flight Plan Reined https://news.google.[...] 2020-08-29
_[6] 서적 Voyager Tales: Personal Views of the Grand Tour https://books.google[...] AIAA 1997-01-01
_[7] 간행물 Fast reconnaissance missions to the outer solar system utilizing energy derived from the gravitational field of Jupiter
_[8] 웹사이트 Fast Reconnaissance Missions To The Outer Solar System Using Energy Derived From The Gravitational Field Of Jupiter http://www.gravityas[...] GravityAssist.com 2022-02-23
_[9] 서적 Voyager: The Grand Tour of Big Science https://history.nasa[...] NASA 2014-08-25
_[10] 뉴스 23 Scientists Ask Unmanned Probe of Outer Planets http://timesmachine.[...] 1969-08-04
_[11] 뉴스 Nixon asks start of a 'grand tour' of planets in '77 http://timesmachine.[...] 1970-03-08
_[12] 뉴스 'Grand Tour' Space Flight Plan Reined https://news.google.[...] 2020-08-29
_[13] 서적 Voyager Tales: Personal Views of the Grand Tour https://books.google[...] AIAA 1997-01-01
_[14] 저널 Fast reconnaissance missions to the outer solar system utilizing energy derived from the gravitational field of Jupiter
_[15] 웹인용 Fast Reconnaissance Missions To The Outer Solar System Using Energy Derived From The Gravitational Field Of Jupiter http://www.gravityas[...] GravityAssist.com
_[16] 웹인용 https://history.nasa[...] 2014-08-25
_[17] 서적 Voyager Tales: Personal Views of the Grand Tour https://books.google[...] AIAA 1997-01-01